Il santuario è stato fondato da monsignor Giovanni Baloire, che si dedicò intensamente alla  realizzazione di uno dei più famosi complessi religiosi di questa città. Ancora giovane prete, nel 1916, Baloire si era reso conto della necessità di edificare una parrocchia in quella zona, fortemente caratterizzata dalla presenza di case operaie.

L’idea di erigere un santuario alla “Santa degli Impossibili” nacque presso l'altare, dedicato alla Santa stessa, della parrocchia di San Secondo, dove Baloire era viceparroco. Con l'appoggio di monsignor Pinardi, parroco di San Secondo, e della Compagnia dei devoti di Santa Rita, il progetto fu approvato dal vescovo nel 1925.

Il comune di Torino concesse un'area che era posta all'incrocio di una fitta rete di strade, prospiciente la grande piazza di circa dodicimila metri quadrati già ombreggiata da una doppia fila di platani che il conte Balbo Bertone di Sambuy, podestà di Torino, con delibera del 11 aprile 1928 intitolò a Santa Rita da Cascia.
Trovato il terreno, monsignor Baloire cercò un architetto che potesse dare ad un edificio di mattoni un'anima tale da trasformarlo in un “tempio bello per l’arte e raccolto per la preghiera”. Ad assolvere questo compito fu chiamato l'architetto Giulio Valotti (1881- 1953), salesiano, che già aveva progettato e collaborato alla realizzazione di opere importanti, fra le quali la chiesa di Gesù Adolescente in Torino ed il santuario del Selvaggio a Giaveno, oltre a numerosi Istituti Salesiani in Italia, nonché l'ampliamento della Basilica di Maria Ausiliatrice e dell'Oratorio Valdocco di Torino. Valotti progettò un’architettura tardo eclettica ispirata allo stile neo-gotico francese.

I lavori iniziarono il 19 maggio 1927 e terminarono nel 1933 con la costruzione del campanile posto sul fronte principale. Questo presenta, alla base, un portale d'ingresso in marmo bianco ed è coronato da quattro pinnacoli. La facciata della chiesa è rivestita in pietra di Cedrano e pietra di Zandobbio lavorate a bugnato.

Lo spazio interno è articolato su una pianta longitudinale scandita da tre navate. All'incrocio tra la navata principale, a quattro campate, e il transetto è collocata una cupola ottagonale, con copertura a falde, sorretta da massicci pilastri. Negli otto lunotti della cupola, il pittore Pietro Dalle Ceste realizzò le figure degli angeli. Le pareti interne della chiesa sono riccamente decorate con mosaici, su disegni di Carlo Morgari. Nella calotta absidale è raffigurata la morte di Cristo in croce.

I lavori furono conclusi nel 1953 con la realizzazione delle vetrate policrome che raccontano gli episodi principali della vita della santa.

La chiesa fu  consacrata l'11 maggio 1957 e, a quella data, risulta arricchita del completo arredo interno e dell'organo.

Monsignor Baloire fu molto impegnato e attivo nell'educazione religiosa dei ragazzi e dotò la chiesa di ampi locali per il catechismo e l’oratorio, istituì una “schola cantorum”, curò il piccolo clero e diede vita a varie associazioni dell'Azione Cattolica. Le sue spoglie riposano nella cripta sotto l’altare maggiore del santuario. Mons. Baloire è raffigurato in un busto, posto nella navata sinistra accanto alla cappella del Sacro Cuore, e in un dipinto di Caffaro Rore, conservato nei locali parrocchiali.

Durante il secondo conflitto mondiale, la chiesa e le sue pertinenze (la cappella e la casa parrocchiale affacciate su via Tripoli e via Giuseppe Vernazza), subirono lievi danni da bombardamenti in data imprecisata.

Il 14 marzo 1990 è stato inaugurato con un solenne concerto il nuovo organo in sostituzione di quello originale. Nel 1993 sono iniziati i lavori di adeguamento alle nuove leggi civili e canoniche. In tale ottica, oltre ad un nuovo impianto elettrico, è stato rimosso il pulpito; la base dello stesso è stata utilizzata come Mensa dei Doni e le formelle con i simboli degli evangelisti hanno avuto degna collocazione sulle pareti adiacenti al portale maggiore, riempiendo così due spazi non decorati.

L’espressione della devozione a Santa Rita da parte dei fedeli ha visto, fin dall’inizio della vita del Santuario, la donazione di cuori e quadri votivi. In un primo tempo i cuori furono posti nella Cappella delle Grazie, dalla quale sono stati rimossi in occasione del suo restauro per essere comunque conservati in un magazzino.

Nel 1940 fu collocato nell'abside il quadro rappresentante la Santa che stringe la corona di spine, realizzato dal pittore Giovanni Crida che aveva già realizzato l'omologa raffigurazione nella Cappella delle Grazie. L'intento del pittore era quello di ricordare l'amore che Santa Rita ebbe per il Signore che la portò ad assumere su di sé, alla fine della sua vita, i segni del martirio. La corona di rose, che cinge la testa della Santa, ricorda, invece, l'episodio miracoloso della sua vita in cui Santa Rita fece sbocciare una rosa sotto la neve.

I quadretti di varia fattura, invece, adornano la galleria dietro l’altare maggiore. In essi si può leggere la storia e le vicissitudini della popolazione lungo tutto il periodo di vita del Santuario, specialmente negli anni a cavallo della seconda guerra mondiale.